转子系统固有频率的传递矩阵计算方法及其MATLAB实现
文章介绍了计算多自由度转子系统固有频率的传递矩阵法，以及用于实现该算法的Prohl法和Riccati 法的推导过程。利用Matlab 强大的绘图计算功能和改进的Riccati 传递矩阵法所具有的良好的数值稳定性，避免了传统的Prohl 传递矩阵法在计算过程中的丢根现象，提高了整个转子系统分析运算的精度。并用Matlab 对各算法的数值稳定性进行了分析。190其中112,21,2对应于(3)式的矩阵各项。将式(6)展开,得:}+1=11M}+12引入如下的 Riccal变换式中[]就是ca传递矩阵,它是一个2×2阶的待定矩阵,把式(8)代人式(7)式中得这就是 Riccait递推公式。由起始截面的边界条件(门1=0,(e小)≠0固有初始条件[S]=[0]。代人式(9)就可依次递推[S,[,.S对末端截面N+1有:由边界条件{门}x1-{0},{e≠0故得(10)式有解的条件是:+和PωM/法一样,在感兴趣的范围内按一定的步长选定试算频率计算出剩余量S-值,就可以画出剩余量随a变化的曲线,曲线与横坐标交点所对应的转速就是转子的各界临界转速。在PmM的传递矩阵法中,是用r阶的矩阵递推来求剩余量△(o2)。在Bceb的传递矩阵法中是用r/2阶的矩阵国递推来求剩余量S×+1,由于与的递推式中含有逆矩阵,使得剩余量曲线经常会出现异号无穷型奇点。因而在常见的转子动力系统中,剩余量曲线的根和奇点的位置十分接近。在实际转子系统中,临界转速值与奇点值间的间隔可能少于10/m,因此这种方法的丢根现象不可避免。参考PnoM方法中剩余量△(a2)无奇点的事实,可以对 riccati方法中的剩余量加以改造。由式(10)得+1n{%+12]1{}依次类推{}[]+∏[2+21{12在满足相同边界条件时应有△1=[]L21320064事实上(12)式就是(5)式,只是在数值计算中,它们是按不同的方法递推而得到的。因此在数值上它们的精度也不同。当PmM法出现数值不稳定时,(13)式所示的剩余量仍然保持相当的精度。由于剩余量(o2)随0变化的曲线不存在奇点,因此以作剩余量的曲线也不存在奇点。由于(12)式中un+ux]在进行S的递推过程中都已求得,所以在计算时也不会增加太多的工作量,但却可以克服丟根的缺点。事实上(13)式是把(11)式的异号无穷型奇点变为同号无穷型奇点,这样只有当跨过一个真正的根时才变号。枚除了两个临界转速值非常接近的情况,即当两临界转速的差小于所选步长时,一般不会发生漏根。三利用MmMh编制PmM/法、Bicn法及改进的kKRiccati法的程序对各算法结果进行分析。运用算例:如图转子系统简化模型,其数据如下1转子系统简化模型2.94t=588t(=236)1.3m(=1,2,,6)29592×10(kN·m)(i=1,2,)6)支承简化为如图模型相应参数为1.9600×106kN.m-1;2.7048×10kN·m=3.5771(=1,2)编制Maab程序运行待如下表所示的各阶频率。从表1可以看出在 Protel法的计算结果中,小于1058239rad/s固有频率共计算出了7个, Ricca算法计算出了13个固有频率,而改进了的ieai算法在消除奇点干扰后可以计算出17个固有频率。从而明显的看出改进的Racm法可以很好的避免计算过程中的丢根,在数值上具有很好的稳定性。计算细果慧裝protel算法(rads)Riccati算法(rads)改进的 Riccati算法(rad/s190.812100.815208249197.895197.895445924208.245208.24522.9655646.410445.9256832.610458.175458.1751058.239539925539925580.l659646.415574.265759.225580.165832.615646.415987.0057150451058.23583261516987.0051058.235利用a的绘图功能我们可以直观的从图中分析岀各算法的漏根现黎如图2、图3、图4所示:1912P法计算恩有单率输出固像1eg法计算回有率出四像t”改进计算有率始步入从图2、图3、图4可以看出在530到580的频率区间上,前两条曲线与0轴只有一个交点即所求固有频率为539925a/s的点,第三条曲线在相同的区间上与0轴的交点为三个,显然改进的 mccall方法找回了漏掉的根550.225ad/s和574265rad/s。利用 Matlab程序绘图我们还可以绘出改进的 Riccati方法把异号无穷型奇点转化成了同号的无穷型奇点的情况,如图5、图6所示。从图中区间987ras到1090rad/s的曲线可以明显的看出图5曲线以0轴为对称轴倒置后即得到图6在此区间的曲线线形,从而改进了 Riccati算法,在曲线中,只有在跨过个真正的根时剩余量才变号。所以除了两个临界转速之差小于所选步长的情况除外,一般改进后的riccati算法不会发生丢根c算利0改进的热计算有明p1m0p三41000100在计算多自由度转子系统固有频率的传递矩阵法中,我们可以利用 Matlab编程实现Ph/法、 riccati法以及改进的Riea法对于系统固有频率的计算,利用Maab的绘图功能对各算法的结果进行直观的分析,从而明显的看出各算法的漏根情况。本文对于计算复杂的多自由度系统固有频率具有参考意义,也可用于复杂系统低阶固有频率的粗算。同时 Matlab的矩阵运算功能在传递矩阵法中也得到了充分的利用(Electromechanical Engineering Dept, Sichuan University of Science Engineering, Zigong 643000, China)This article introduced the transfer matrix method about the natural frequency calculation of themuulti- degrees freedom rotor system, as well as inferential reasoning process about Prohl law and thericcatilayUSing formidable cartography and computation function of the Matlab as well as the good value stability aboutimproved riccati law it avoided the losing of the natural frequency and enhanced the precision ofentire rotorsystem further analyze. The value stability of various algorithms areanalyzed with Matlab in the paper toorotor system; natural frequency; transfer matrix method; Matlab
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嵌入式Linux基础教程（embedded Linux primer）
embedded Linux primer 的中文版。由华清远见翻译。译者序如果早些看到 Christopher Hallinan的这本书,我就不会在开发过程中走那么多弯路了!人类无限膨胀的欲望促进了嵌入式的发展。回想10年前,你能想象手机可以照相吗?你能想象汽车里会安装全球定位系统吗?今天看来,这些都是多么普通的功能,因为只要调用一些函数(压缩算法)就可以实现。但是你想过吗?如果没有操作系统的支持,很多复杂的功能是无法完成的。要从事嵌入式开发,掌握操作系统的知识是必要的本领之一个不可忽视的事实是电子产品的性能不断提升,而价格却在下降。开发商越来越重视成本免费、自由的 Linux无疑是一个强有力的竞争者。凭借优异的特性和良好的发展趋势, Linux轻而易举地坐上了嵌入式操作系统的头把交椅。嵌入式系统并不见得有多么高深,但是因为嵌入式系统本身涉及了很多学科,致使很多初学者时常深感迷茫,不知道从何入手,即便是编译环境都很难搭建,更不用说调试和部署了。幸运的是, Christopher Hallinan的这部著作为我们学习嵌入式系统提供了捷径。请允许我在此使用“捷径”一词,因为我在刚刚踏入嵌入式 Linux大门时,其中的很多概念也一度让我觉得神秘而困惑。虽然网络搜索功能很强大,但是就如同迷失在一棵大树的树叶之间,你很难摸索到树十,找到正确的方向,而 Christopher Hallinan的这本书就是指引我们前进的“树干”。更可贵的是,本书每章后都提供了相关参考资料,你会很容易地查找到需要了解的内容。在如此短的篇幅内阐述嵌入式 Linux的方方面面是不可能的。但本书作者却让你在一本书中轻松地掌握了嵌入式开发的脉络,这是难能可贵的。本书内容广泛而又不乏深度,嵌入式 Linux开发的初学者和提高者都能从中获得巨大收获。本书的翻译工作由北京华清远见科技信息有限公司负责组织,拿到书后,我们的翻译团队粗略地浏览了一遍,一致认为本书的内容尽在我们的掌握之中,毕竟我们自认为在嵌入式 Linux领域小有经验。但在翻译过程中,我们渐渐改变了最初的错误的想法。看起来和写出来有很大不同。除了赞叹作者扎实的基本功外,我们更被作者高超的写作艺术深深折服。摆在我们面前最大的难题不是技术,而是如何尽可能地把作者的原意表现出来。我想,这也是衡量一本书翻译质量的关键吧!翻译的具体分工如下:王辉翻译第1章至第4章、第8章,张小全翻译第5章、第6章、第9章至第11章,其余部分及全书统稿由孙天泽完成。我要特别感谢袁文菊、吴彦波两位老师对本书所做的贡献。我希望能够代表嵌入式同行们感谢人民邮电出版社图灵公司,是他们以卓越的眼光引进了这部著作。尽管我们做了充分的准备,但是受能力所限,译文中仍难免存在一些错误,还请读者批评指正。最后,祝读者能通过学习本书获得较大的提高序计算机无处不在!在过去大约25年中,只要不是与世隔绝的人就肯定不会对此感到大惊小怪。现在,计算机不仅占据了我们的桌面,进驻了我们的厨房,而且越来越多地进入到我们的生活场所,即便是在微波炉、电烤箱、移动电话和便携式数字音乐播放器中也出现了它的身影。选择本书的读者肯定已经了解了不少,但还想学习更多的嵌入式系统知识。就在不久前,嵌入式系统还不是很强大,它们运行具有特殊目的、专用的操作系统,而这些操作系统与工业标准的系统有很大不同(而且,它们也更难于开发)。现在,嵌入式系统即使在功能上不比家用计算机强大,但至少也与其相当(例如高端游戏终端)。伴随着这种强大的功能,运行 Linux等成熟操作系统的能力也呼之欲出,在嵌入式产品中使用 Linux这样的操作系统变得具有非常大的意义。一个庞大的开发者社区更使得这一切成为可能。开发环境和部署环境惊人相似,这也使得程序员的生活变得更轻松。现在我们既有由虚拟内存系统提供的保护地址空间的安全性,又有多用户的能力和灵活性。真是不老少了。出于这个原因,全世界的公司都在许多设备中选择使用Iinuⅸx,如PDA、家庭娱乐系统,甚至移动电话——不管你信不信!这本书很令我振奋。它为那些想在嵌入式系统中使用 Linux的开发人员提供了极好的学习路线指导。本书内容简洁、准确,组织合理, Christopher的知识和见解贯穿全书,你不仅能得到很多信息和帮助,也能获得阅读的乐趣。我希望在你学习的同时也能感受到这种乐趣,我自己已经感受到了。Arnold Robbins著名 Linux专家)虽然 Linux方面己经有很多好书,但是没有哪一本书能为嵌入式 Linux开发人员提供广泛的信息和建议。当然,有一些非常优秀的书籍介绍了 Linux内核和 Linux系统管理等方面的知识,本书也参考了许多我认为在同类书中最优秀的著作。本书的大部分素材取自我在这些年来收到的一些开发工程师提出的问题,当时我的职位是嵌入式 Linux顾问。现在我是 Monta vista software公司的现场应用工程师,该公司是嵌入式 Linux发行厂商的领跑者。即便对于很有经验的软件工程师来说,嵌入式 Linux也带来了一些特殊的挑战。首先,那些具有多年实时操作系统(RTOS)开发经验的工程师很难把思维转换到 Linux上;其次,有经验的应用程序开发人员通常很难理解多种开发环境的复杂性。虽然这只是一本面向刚接触嵌入式 Linux开发人员的基础读物,但是我确信有经验的嵌入式Linux开发人员也一定能从中找到有用的提示和技巧,这些可是我花费多年积累总结出来的。给嵌入式Lnux开发者的实用建议书中包括了我的一些观点。作为一名嵌入式工程师,要跟上嵌入式 Linux环境的快速发展,你需要知道这些观点。本书没有重点讲解 Linux内核内部原理,在谈论内核的章节中侧重从项目角度介绍内核,你可以阅读专门介绍内核内部原理的著作来了解相关知识。通过本书可以学习内核源码树的组织和布局,了解组成内核映像的二进制文件组件以及如何加载它们,它们在嵌入式系统中的作用等知识。图5-1是我最欣赏的一幅图,它形象地说明了合成内核映像的构建过程。本书的一些章节讲述了构建系统的工作原理,以及怎样将满足项目需求的定制的内核变化加载到内核中。你会了解用于驱动不同体系结构配置的机制和 Linux内核源码树的特性;更重要的是,掌握如何修改系统使之满足自己的需求。除此之外,我们还深入探讨了内核命令行参数机制,介绍了它是如何工作的,如何根据需求配置内核运行时行为,如何扩展系统功能,如何导航内核源代码,如何为相关嵌入式系统的不同任务配置内核。其他内容还包括嵌入式项目中一些非常有用的提示和技巧,内容涵盖了引导装入程序、系统初始化、文件系统和闪存、内核调试技巧以及应用程序调试技巧等。2前言读者对象本书需要读者具有一定的C语言编程基础,对局域网和因特网有基本的了解,理解IP地址的概念以及P地址在简单局域网中的用法,还需要理解十六进制和八进制编码方式以及它们常见的用法。本书也涉及一些C语言编译和链接中较为深入的概念,所以如果你能粗略复习一下C语言链接器的概念就更好了。同时,了解 GNU make操作和语法对于阅读本书也很有帮助。本书不是什么本书不是一本详细介绍硬件的指南。嵌入式开发者所面临的困难之一就是现在硬件设备之间有巨大的差异。一款集成部分外围设备的现代32位处理器,其用户手册动辄就有1000页,这没有捷径可走。但从程序员的角度看,如果需要理解硬件设备,你必须花费大量时间研读硬件数据手册和参考指南,同时要花费更多的时间编写和测试这些硬件设备的工作代码这也不是一本讲述 Linux内核和内部原理的书。从本书中无法学到用来实现 Linux虚拟内存管理策略和过程的内存管理单元(MMU)的精深知识。已经有许多关于这个主题的优秀书籍,我建议你翻阅每章后面的“参考资源”排版约定文件名和代码采用 Courier字体,需要读者输入的命令使用加粗 Courier字体。新术语或重要的概念使用楷体加以强调路径名前如有3个点则表示众所周知但未明确指定的顶层目录。上下文不同,顶层目录也会不同,但大多数情况下是指Linuκ内核源码目录的顶层。例如,,/arch/ppc/ kerne1/ setup.c表示 setup.c文件位于 Linux内核源码树的体系结构分支上。实际路径可能是/sandbox/linux. 2.6.14/arch/ppc/kernel/setup. co本书结构第1章简要介绍了 Linux被迅速应用在嵌入式环境的驱动因素,介绍了与嵌入式 Linux相关的几个重要的标准和组织。第2章介绍了许多与后几章所构建的嵌入式 Linux相关的概念。第3章将站在更高的层面了解用于构建嵌入式 Linux系统的流行的处理器和平台,介绍了从主要处理器厂商精选的几款产品,以及几乎所有主流的体系结构。第4章从略微不同的角度审视 Linux内核。这里没有重点讲解内核理论或其内部原理,只是介绍了内核的结构、布局和构建结构,目的是使读者从一开始就能学习这门庞大的软件工程项目。更重要的是,要知道哪些内容是必须重点关注的,包括对内核构建系统的详细讲解。第5章详细说明了 Linux内核的初始化过程。你可以学习到与体系结构和引导装入程序相关前言3的映射组件,是如何拼接成适合下载到闪存的内核映射,并最终通过嵌入式系统的引导装入程序启动的。从这一章学到的知识将帮助你自定义 Linux内核,使之可以满足你自己的嵌入式应用的需求。第6章继续讲述初始化过程。当 Linux内核完成自身初始化后,应用程序将根据预先确定的方式继续初始化过程。读完这一章以后,你就具备了自定义用户空间应用程序启动顺序的知识。第7章主要介绍引导装入程序及其在嵌入式 Linux系统中的作用。这一章以现在流行的开源引导装入程序U-Boot为例,说明了移植的概念;还简要介绍了其他几种现在使用着的引导装入程序,以便用户有特殊需求时可以有多种选择第8章介绍了 Linux设备驱动程序模型,提供了很多进行设备驱动程序开发的背景资料,这些资料都在“参考资源”中列出。第9章列举了目前嵌入式系统中使用的一些流行的文件系统,包括在闪存设备上最常用的JFFS2文件系统。这一章还简要介绍了如何创建自己的文件系统映像,这也是嵌入式 Linux开发人员所面临的一项艰巨任务。第10章介绍了MTD( Memory Technology Devices,内存技术设备)子系统。MTD是 Linux文件系统和硬件内存设备(尤其是闪存)之间一种非常有效的抽象层。第11章介绍了 Busy Box,它是我们构建小型嵌入式系统最常用的工具。这一章讲述如何根据特殊需求对 Busy Box进行配置和构建,随后介绍了仅使用 Busy Box环境完成系统初始化的全过程。附录B列举了最新版本 Busy Box提供的命令。第12章详细介绍了典型交叉开发环境的特殊需求。这一章所介绍的一些技术能有效地提高嵌入式开发人员的工作效率,例如强大的NFS根目录挂载开发配置。第13章介绍了一些有用的开发工具。介绍了使用gb进行调试,包括核心转储分析;并通过示例介绍了 strace、1 trace、top和ps,以及内存剖析工具 mtrace和dma11oc。这一章最后介绍了更重要的一些二进制实用工具,如 reade1f等。第14章深入探讨了一些 Linux内核的调试技术,介绍了内核调试器KGDB的用法,提出了gdb和KGDB组合使用的许多调试技巧。这一章涉及的内容还包括硬件JAG调试器的用法,以及当内核无法启动时的一些故障分析技巧。第15章把调试环境从内核转移至应用程序。这一章继续完善前两章用到的gdb示例,讲述了多线程和多进程的调试技巧。第16章介绍了将 Linux移植到自定义开发板的相关问题。这一章通过一个简单的示例,逐步说明了Linx内核移植到 PowerPC板的详细过程,还讲解了几个困扰 Linux内核移植方面新手的重要概念。读完本章后,会同第13章和第14章提出的技术,你应该能够对自己的开发板进行移植工作。第17章介绍了嵌入式 Linux中一个令人激动的发展:通过配置 CONFIG_R选项实现实时。这里介绍的特性通过RT选项得以实现,同时还介绍了如何在设计中使用这些特性。这一章也介绍了在应用程序中测试延时的技巧。附录内容包括U-Boot可配置命令、 Busy Box命令、 SDRAM接口的注意事项、开源开发者4前言的资源、BDI2000调试器的配置文件范例。BD2000是目前很流行的硬件JTAG调试器其他如果你能够边看书边在 Linux工作站上动手实验,将会从书中得到最大的收获。可以找一个较旧的x86计算机完成嵌入式系统实验。如果有条件能连接其他体系结构的平台进行实验就更好了。你将受益于学习到大型代码库(如 Linux内核)的布局和组织,在浏览内核并亲自动手实验时,能学到一些更重要的知识和经验。看一下本书使用的代码并试着理解书中的示例,要使用不同的设置方案、配置选项和不同的硬件设备进行实验。除可获得丰富的知识,还充满了乐趣!版权说明本书使用的开源代码的版权归很多个人或公司所有。复制代码遵循了GNU公共许可,即GPL。致谢我由衷地敬佩开源软件工程师的崇高精神,深深地折服于我们社区中远远超过我的天才们。在本书的创作过程中,我向 Linux和开源社区的很多人提出了大量问题,大多数问题都能很快得到答案,而且还经常获得鼓励。我要向Linuκ和开源社区中帮我解答问题的朋友致以真挚的谢意(排名不分先后):Dan malek为第2章的部分内容提供了创作灵感。Dan Kegel和 Daniel Jacobowitz耐心地帮我解答了关于工具链的问题。Scott Anderson提供了第14章中gdb宏的最初的思想。Brad Dixon不断地用他所掌握的知识挑战和扩展我的技术洞察力George Davis帮我解答了ARM的问题。Jim Lewis为我提供了关于MTD的意见和建议。Cal Erickson帮我解答了关于gdb用法的问题。John Twomey就第3章内容给出了建议。Lee revell、sven- Thorsten dietrich和 Daniel walker就实时 Linux的内容提供了建议。非常感谢AMCC、 Embedded planet、 Ultimate Solutions和 United Electronic Industries公司,它们提供了示例硬件。感谢我的公司 Monta vista,允许我进行这次与工作无关的创作,并且提供了一些软件示例。在创作过程中,还有很多人贡献了他们的想法,并给予我鼓励和支持,我也非常感激我要诚挚地感谢最初审阅本书的团队,他们迅速地阅读了每一章,提供了极好的反馈、注释和想法。谢谢 Arnold Robbins、 Sandy Terrace、 Kurt Lloyd和 Rob Farber。还要感谢 Amold帮助我这个写作新手学习撰写技术图书的规则。虽然我已经努力排除每处错误,但错误肯定还会存在,前言5这都归昝于我。感谢 Mark L.Taub使本书得以完成,感谢他的鼓励和无限的耐心。还要感谢制作团队,包括Kristy Hart、 Jennifer Cramer、 Krista Hansing和 Cheryl Lenser最后,还要把最特别、最衷心的感谢献给 Cary Dillman,在我撰写本书时她阅读了每一章,整个创作过程中都有她的不断鼓励和重要的贡献Christopher hallinan目录第1章引言……………………………………参考资源…………………………221.1为什么使用Lnux……1第3章处理器基础12嵌入式 Linux现状…31单机处理器2313开源和GPL……………………………14标准和相关机构22333.1.1IBM970FX3. 1.2 Intel Pentium14.lLSB…3. 1.3 Freescale14.2OSDL…33.14配套芯片组,1.5小结…………………43.2集成化处理器:片上系统………………27参考资源“3.2.1 PowerPC…………27第2章嵌入式初体验…53.2.2 AMCC PowerPC……………………272.1需要嵌入式系统吗…………………………53. 2.3 Freescale PowerPC.……3022嵌入式系统剖析……63.24MPs…322.1典型嵌入式 Linux系统设置3.2.5 Broadcom MIPS222启动目标板…………3.2.6 AMD MIPS……34223启动内核……………………93.27其他类型的MIPS…………3522.4内核初始化概述……103.2.8ARM……………35225第一个用户空间进程:init…113.29TARM………………………352.3存储的思考……23.2.10 Freescale arM………………37231闪存…123.2.11 Intel ARM XScale………………37232NAND闪存………………133212其他ARM………………………38233闪存的用途………143213其他体系结构…………38234闪存文件系统1433硬件平台……………………………38235存储器空间………………1533.1 CompactPCI…382.3.6运行上下文…………………………163.32ATCA……………………………39237进程中的虚拟内存………1734小结……………………………3923.8交叉开发环境…………19参考资源………………………4024嵌入式Liux的发行版…20第4章Lnux内核不同视角41241 Linux商业发行版……………214.1背景知识242 Linux自定义发行版………………214.1.1内核的版本………422.5小结……………………………214.1.2内核源码库………………43
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MATLAB与控制系统仿真实践
MATLAB与控制系统仿真实践,适合学习自动制方向的用MATLAB进行仿真的人士学习和参考内容简介本书以 MATLAB R2007a为仿真平台,以清新、简洁的风格介绍了 MATLAB语言基础及基于 MATLAB的控制系统仿真。本书在结构上包括上下两篇共17章。上篇介绍 MATLAB语言基础,并简要介绍了 MATLAB GUI程序设计和 MATLAB的混合编程知识,共7章;下篇介绍控制系统的 MATLAB仿真,并提供了两个课程设计实例供学习参考,共10章全书结构清晰,内容翔实,图文并茂,以丰富的实例突岀实践性,通过紧密联系实际突出实用性。本书可作为自动控制等相关专业的教学参考用书,也可作为相关领域工程技术人员和研究人员的参考资料。书中 MATLAB语言的介绍较为全面,可供 MATLAB语言入门者学习参考。书中所给综合实例则对相关课程设计、毕业设计等有重要参考价值图书在版编目(CIP)数据MATLAB与控制系统仿真实践/赵广元编著.一北京北京航空航天大学出版社,2009.8( MATLAB开发实例系列图书)ISBN978-7-81124-787-9Ⅰ.M…·Ⅱ.赵…Ⅲ.①自动控制系统一计算机辅助计算一软件包, MATLAB7.4—教材②自动控制系统一计算机仿真一软件包, MATLAB7.4—教材Ⅳ.TP273TP391.9中国版本图书馆CIP数据核字(2009)第073080号MATLAB与控制系统仿真实践赵广元编著责任编辑陈守平刘亚军北京航空航天大学出版社出版发行北京市海淀区学院路37号(100191)发行部电话:(010)82317024传真:(010)82328026http://www.buaapress.comcnE-mail:bhpress@263.net北京市印刷有限公司印装各地书店经销开本:787mm×1092mm1/16印张:20字数:512千字2009年8月第1版2009年8月第1次印刷印数:5000册ISBN978-7-81124-787-9定价:34.00元前言MATLAB被称为 The Language of Technical computing,它面向理工科不同领域,功能强大、使用方便,而更大的优点在于它的高度开放性。正因如此, MATLAB在理工多个学科的仿真中成为首选工具。作者结合“ MATLAB语言与控制系统仿真”的教学实践与研究成果,以 MATLAB R2007a为系统仿真平台,以清新、简洁的风格编写了本书。1.本书结构与内容安排本书在结构上包括上下两篇。上篇为 MATLAB语言基础,共7章;下篇为控制系统的MATLAB仿真,共10章。上篇主要内容有: MATLAB环境认识与操作, MATLAB语言数据类型和运算符等基础知识, MATLAB的数学运算与符号运算, MATLAB语言的程序设计, MATLAB语言的二维图形、三维图形和符号函数的绘制等绘图基础。同时,以基于GUⅠ设计工具 GUIDE的开发为例简要介绍了 MATLAB GUI程序设计,初步介绍了 MATLAB的混合编程知识,并给出了应用 MATLAB Builder for Java进行混合编程的实例。下篇主要内容有:自动控制及其仿真概述;对 MATLAB仿真集成环境— Simulink的较全面介绍,包括基本操作与设置、子系统及封装技术和S函数的编写等高级应用;基于MATLAB的控制系统数学建模包括了不同函数模型的建立及各种系统模型之间的转换,方框图模型的连接化简等;分别从直接判定和图解判定两方面来进行控制系统的稳定性分析;对控制系统的时域分析分别从动态性能指标和稳态性能指标的分析岀发进行描述;对控制系统的根轧迹分析及基于根轨迹的系统校正;对控制系统的频域分析与基于频域法的校正;控制系统的PID控制器设计主要包括了PI控制器的作用分析及设计举例;非线性控制系统分析中首先给出了非线性特性模块的构建举例,之后分别对使用相平面法和描述函数法进行了仿真分析。各章的原理要点起提纲作用,也供回顾之用;同时对所使用的 MATLAB函数给出简明用法说明。最后一章以两个课程设计综合实例演示了实践教学中 MATLAB的系统仿真应用。2.本书的特点本书结构清晰,内容翔实,图文并茂,并突出以下三点:第一,适当扩展介绍 MATLAB。上篇对 MATLAB的介绍除尽可能满足控制系统仿真需要,直接为下篇做铺垫外,作为扩展还简要介绍了 MATLAB GUⅠ程序设计和 MATLAB的混合编程知识,这有利于读者更全面地认识 MATLAB。学生在其他课程的学习、参加竞赛以及毕业设计等活动中主动应用了这两部分内容,证明以适当的篇幅进行 MATLAB的扩展介绍是必要和有效的。第二,以丰富的实例突出实践。通篇以大量实例展示 MATLAB操作及其在控制系统仿真中的应用。各章中避免太多理论的重复讲解,而仅适当地对自动控制原理的已有结论作简要介绍。对于不同例题的分析有助于引导读者对自动控制原理的深入理解,避免仅作函数的使用介绍与举例。建议读者在使用本书时最好手头有一本自动控制原理的教材作参考第三,紧密联系实际突出应用。通过课程设计综合实例的介绍,突出仿真的实际应用,达到将书本知识与实际系统设计联系起来的目的。这两篇课程设计报告源于学生课程设计的优秀作品,经进一步整理完善而形成3.本书的适用对象本书可作为自动控制、机电一体化、计算机仿真等专业的大专院校学生和研究生的教学参考用书,也可作为自动控制相关领域工程技术人员和研究人员的参考资料。本书对 MATLAB语言的介绍较为全面,也可供学习使用 MATLAB语言参考。书中所给综合实例则对相关课程设计、毕业设计等有重要参考价值4.致谢本书成稿过程中,在结构安排方面得到陕西师范大学傅钢善教授的指点。对傅老师的指点与鼓励表示诚挚的谢意本书成稿后,东北大学人工智能与机器人硏究所潘峰博士仔细阅读了主体内容,提岀了诸多宝贵意见。作者已按照其意见进行了修改。在此表示感谢本书是西安邮电学院课程建设项目(院教[2007]26号)的部分成果。本门课程于2009年被评为校级优秀课程。这里对课程建设小组其他成员的不懈努力表示感谢,对教务处的大力支持表示感谢感谢西安邮电学院信息与控制系主任范九伦教授的鼓励与大力支持,感谢自动化实验室全体老师的无私帮助。本书编写过程中,郑祺、魏美荣、张爱妮等做了部分仿真实验工作,马宏宇、白建华、赵晓莉等做了大量资料查阅、文字校对工作,对他们的辛勤付出表示感谢最后特别感谢妻子马泓波博士的全力支持书中所有程序的源代码可在北京航空航天大学出版社(htp:/www.buaapres.com.cn/)下载中心下载。同时,北京航空航天大学出版社联合MATLAB中文论坛(http://wwwiLoveMatlab.cn)为本书设立了在线交流版块,网址http://www.ilOveMatlab.cn/forum156-1.html,有问必答!作者会第一时间在 MATLAB中文论坛勘误,也会根据读者要求陆续上传更多案例和相关知识链接,还会随着 MATLAB版本的升级增添必要的内容以满足读者的需求。希望这本不断“成长”的书能最大限度地解决您在学习、研究、工作中遇到的MATLAB控制系统仿真相关问题由于作者水平有限,加之时间仓促,书中的不足与疏忽之处,敬请读者批评指正编者2009年5月目录上篇 MATLAB语言基础第1章 MATLAB环境认识与操作1.1 MATLAB环境认识1.1.1命令窗口33351.1.2命令历史记录窗口1.1.3工作空间…1.1.4帮助窗口……………………………………………………………………………81.1.5图形窗口101.1.6编辑/调试窗口111.2 MATLAB notebook及其使用…111.2.1 MATLAB Notebook的启动121.2.2 Notebook的菜单命令…121.2.3输出单元的格式控制131.2.4使用M-book模板的技巧14本章小结14第2章 MATLAB语言基础152.1 MATLAB语言的常量与变量鲁·2.1.1 MATLAB语言的常量2.1.2 MATLAB语言的变量162.2 MATLAB语言的运算符……172.2.1算术运算符…172.2.2关系运算符172.2.3逻辑运算符…………………………………172.3 MATLAB语言的数据类型…2.3.1 MATLAB语言的数据类型概述8882.3.2稀疏矩阵2.3.3单元数组222.3.4结构数组252.4 MATLAB语言的基本语句结构………………………………………………284.1直接赋值语句282.4.2调用函数语句29本章小结29第3章 MATLAB的数值运算与符号运算基础3.1数组与矩阵的基本操作…···鲁··,鲁·,·,·,··鲁·鲁…303.1.1数组与矩阵的输入……………303.1.2数组与矩阵元素的操作343.1.3数组与矩阵的输出………………3.2 MATLAB的基本数值运算∴373.2.1算术运算3.2.2关系运算3.2.3逻辑运算433.2.4运算优先级443.3 MATLAB的基本符号运算453.3.1符号运算基本函数453.3.2符号代数方程求解463.3.3符号微积分运算483.3.4 Laplace变换及其反变换、Z变换及其反变换49本章小结∴51第4章 MATLAB语言的程序设计524.1 MATLAB语言的流程结构524.1.1if,else和 elseif组成的条件转移结构…524.1.2 switch,case和 otherwise组成的开关结构534.1.3 while/for循环结构544.1.4try和 catch组成的试探结构544.1.5 MATLAE程序设计举例554.2 MATLAB函数的编写584.2.1 MATLAB函数基本结构……···.··..·;···.····4.2.2 MATLAB函数编写举例3 MATLAB程序设计中的一些问题本章小结……∴65第5章 MATLAB语言的绘图基础665.1二维图形的绘制661.1绘制二维图形的基本函数及示例66图形的修饰及示例5.1.3多图绘制函数及示例特殊应用二维图形的绘制5.2三维图形的绘制805.2.1三维图形绘制函数805.2.2三维图形绘制举例805.3图形的图形化编辑………825.4符号函数绘制图形835.4.1符号函数绘制图形的函数及示例………835.4.2符号函数的图形化绘制方式84本章小结·鲁85第6章 MATLAB GUI程序设计初步866.1GUI设计工具 GUIDE简介866.1.1 GUIDE的启动866.1.2GUI界面的创建6.2GUI程序设计示例876.2.1“ Hello world”程序的设计曹·,·非876.2.2控制系统典型环节的演示程序…………………………………………………89本章小结94第7章 MATLAB的混合编程初步…………957.1 MATLAB的混合编程形式简述957.2常用 MATLAB混合编程方法957.2.1使用 MATLAB的 MATLAB Compiler957.2.2利用 MATLAB引擎( MATLAB Engine)967.2.3利用 ActiveX技术967.2.4利用MAT文件967.2.5使用MEX文件977.2.6利用 MatrixVB实现与 Visual basic的混合编程977.2.7利用 MATLAB Builder系列工具∴977.3示例— MATLABG Builder forJava应用987.3.1生成魔方矩阵的演示程序……987.3.2输出函数曲线的演示程序102本章小结…………∴…105下篇控制系统的 MATLAB仿真第8章自动控制及其仿真概述8.1自动控制系统概述8.1.1自动控制系统的基本形式及特点8.1.2自动控制系统的分类1108.1.3对自动控制系统的要求及性能评价8.2控制系统仿真概述8.2.1仿真的基本概念……………………………………………………………1108.2.2仿真的不同分类1118.2.3仿真技术的应用及发展1128.2.4计算机仿真的要素及基本步骤1132.5控制系统仿真软件本章小结….114第9章 MATLAB的仿真集成环境—— Simulink∴1159.1 Simulink概述……1159.2 Simulink的基本界面操作………1159.3 Simulink的功能模块及其操作1179.3.1 Simulink的功能模块9.3.2功能模块的基本操作1219.3.3功能模块的连接操作1249.4 Simulink仿真环境的设置1249.5子系统及封装技术1269.5.1子系统的建立……………………………………………………………………1269.5.2子系统的封装1279.6用 Simulink建立系统模型示例1299.7 Simulink的高级应用—S函数的编写1329.7.1S-函数的工作原理1329.7.2S-函数的设计实例…138本章小结……·········.···143第10章基于 MATLAB的控制系统数学建模14410.1控制系统的传递函数模型14410.1.1系统传递函数模型简述14410.1.2传递函数的 MATLAB相关函数……14510.1.3建立传递函数模型实例∴………………14610.2控制系统的零极点函数模型14910.2.1零极点函数模型简述鲁·要10.2.2零极点函数的 MATLAB相关函数14910.2.3建立零极点函数模型实例∴……………………15010.3控制系统的状态空间函数模型15310.3.1状态空问函数模型简述………………15310.3.2状态空间函数的 MATLAB相关函数15310.3.3建立状态空间函数模型实例…15410.4系统模型之间的转换15610.4.1系统模型转换的 MATLAB相关函数15610.4.2系统模型之间转换实例10.5方框图模型的连接化简16110.5.1方框图模型的连接化简简述…………………………………………………16110.5.2系统模型连接化简的 MATLAB相关函数16310.5.3系统模型连接化简实例16310.6 Simulink图形化系统建模实例…166本章小结………………167第∏1章控制系统的稳定性分析16811.1系统稳定性的 MATLAB直接判定……16911.1.1 MATLAB直接判定的相关函数16911.1.2 MATLAB直接判定实例………………16911.2系统稳定性的 MATLAB图解判定…17211.2.1 MATLAB图解判定的相关函数17211.2.2 MATLAB图解判定实例17211.3 MATLAB LTI Viewer稳定性判定实例………………174本章小结176第12章控制系统的时域分析7712.1控制系统的动态性能指标分析12.1.1控制系统的动态性能指标7712.1.2控制系统动态性能指标 MATLAB求取实例12.2控制系统的稳态性能指标分析18512.2.1系统的稳态性能指标………18512.2.2控制系统稳态性能指标 MATLAB求取实例…18512.3 MATLAB时域响应仿真的典型函数应用18812.3.1 MATLAB时域响应仿真的典型函数18812.3.2 MATLAB时域响应仿真的典型函数应用实例………………………………18812.4 MATLAB/ Simulink图形化时域分析19212.4.1 MATLAB LTI Viewer时域分析实例19212.4.2 Simulink时域分析实例194本章小结196第13章控制系统的根轨迹分析与校正19713.1控制系统的根轨迹法分析19913.1.1 MATLAB根轨迹分析的相关函数…13.1.2 MATLAB根轨迹分析实例19913.2控制系统的根轨迹法校正21113.2.1根轨迹法超前校正及基于 MATLAB的实例21213.2.2根轨迹法滞后校正及基于 MATLAE的实例……21613.3 MATLAB图形化根轨迹法分析与设计22013.3.1 MATLAB图形化根轨迹法分析与设计工具 rltool∴…∴22013.3.2基于图形化工具 rltool的系统分析与设计实例221本章小结223
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